CC BY
17УДК 615.9:574
Опасность наночастиц и программа превентивных действий
Глушкова А.В., Дулов С.А., Радилов А.С.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт гигиены, профпатологии и экологии человека» (ФГУП «НИИГПЭЧ» ФМБА России), г. Санкт-Петербург
Оценку безопасности при работе с нано-материалами целесообразно проводить поэтапно, начиная с изучения и описания физико-химических параметров, строения и формы наночастиц, методов исследования наночастиц и наноматериалов. Следующий этап - изучение токсичности и опасности, описание возможных источников и путей поступления наночастиц в окружающую среду, а также пу-
тей миграции в окружающей среде. Итогом решения данной проблемы становится разработка алгоритма эффективной системы по обеспечению безопасности работ с НЧ и наноматериа-лами, который представляет собой поэтапный план мероприятий на несколько лет.
Ключевые слова: наночастицы, наномате-риалы, токсичность, алгоритм системы безопасности.
Широкое применение нанотехнологий, а также использование нанопродуктов и наноматери-алов не только открывает новые перспективы, но и может представлять опасность, которую трудно заранее предсказать [1]. Прогнозировать последствия поступление наночастиц (НЧ) в биосферу пока не представляется возможным из-за недостатка информации.
Детальное изучение поведения наночастиц в окружающей среде началось недавно. Известно, что наночастицы способны накапливаться в объектах окружающей среды, однако, пока не хватает необходимых экспериментальных данных для точного моделирования таких процессов. Наночастицы могут легко проникать в организм человека и животных через кожу, респираторную систему и желудочно-кишечный тракт в неизмененном виде [2, 3], а также способны накапливаться в органах-мишенях [4], поэтому вопросы безопасности при работе и использовании наноматериалов являются актуальными.
Оценку безопасности при работе с наномате-риалами целесообразно проводить поэтапно, начиная с изучения и описания физико-химических свойств наночастиц и наноматериалов, включая строение и форму наночастиц, методы измерения количества и концентрации наночастиц и наноматериалов в объектах окружающей среды. Следующим этапом должно стать описание возможных источников и путей поступления на-ночастиц в окружающую среду, а также путей миграции в окружающей среде.
Как и для широко изученных загрязняющих веществ, миграция наночастиц в окружающую среду и последующее воздействие на живые организмы связано со следующими процессами:
- ингаляцией, то есть поступлением со вдыхаемым воздухом через легкие;
- поступлением с водой и пищей через ЖКТ;
- поступлением через кожные покровы и слизистые оболочки;
- воздействием со стороны загрязненных поверхностей;
- поступлением через жабры в кровеносную систему водных организмов.
Однако большинство наночастиц нельзя однозначно отнести к «загрязняющим» веществам, поскольку они могут поступать в организм человека при медицинских, косметических или оздоровительных процедурах или за счет постоянного контакта с бытовыми предметами и материалами, выполненными с использованием наночастиц.
В условиях явно недостаточной информации о миграционной способности наночастиц в окружающей среде и токсикокинетике крайне привлекательными выглядят попытки использовать накопленные к настоящему времени обширные знания о миграции мезо- и микрочастиц той же химической природы. Однако подобные попытки наталкиваются на ограничения, связанные с высокой удельной поверхностью НЧ по сравнению с удельной поверхностью их аналогов. Следствием этого является не только отмеченная в различных работах значительно более высокая растворимость НЧ, но и их потенциально более высокая сорбционная способность и энергия связи с другими молекулами. Это приводит к образованию в растворах сложных и малоизученных комплексов с окружающими молекулами, изменяющими способность НЧ к миграции.
Вследствие очень большой удельной поверхности НЧ относительное значение путей проникновения через различные поверхности и их воздействие на живые организмы может быть более высоким, чем для обычных веществ.
Поскольку миграционная способность НЧ зависит не только от их химической природы, но
от их размера и структуры, сильно влияющих на величину удельной поверхности, неопределённость в оценке их миграционной способности значительна. В настоящее время подходы, основанные на оценке дозы по общей поверхности НЧ в единице объема, считаются наиболее адекватными, хотя иногда применяются и способы оценки дозы на основе числа частиц или массовой концентрации [5-8].
В целом, имеющиеся данные о токсикологии НЧ позволяют утверждать, что однократное поступление НЧ в организм может вызвать воспалительный эффект, величина которого зависит от дозы; НЧ накапливаются в органах и тканях; проникая и накапливаясь в костном мозге, клетках центральной (ЦНС) и периферической нервной системы (ПНС), НЧ могут оказывать негативное воздействие на функционирование ЦНС и ПНС, приводя к хроническому воспалительному процессу и нарушению деятельности сердечно-сосудистой системы; кроме того, НЧ обладают способностью к накоплению в лимфоузлах, костном мозге, легких, печени, почках.
При этом следует иметь в виду, что отсутствуют данные по длительному воздействию НЧ на организм человека и животных, а имеющиеся данные в основном получены в реакциях in vitro, данные in vivo ограничены.
Кроме того, на первый план выходит проблема нанотоксичности в силу того, что токсичность НЧ не является простым преобразованием уже известной токсикологии к наномасштабам. НЧ демонстрируют отличающиеся от частиц такого же химического состава, но другого размера, физико-химические и, следовательно, токсикологические свойства, причем эти свойства существенно зависят не только от размера, адгезивных, каталитических и электрических свойств НЧ, но и от их чисто геометрических характеристик [6, 9-13].
Анализ имеющегося экспериментального материала о биологических эффектах наночастиц и наноматериалов позволяет сделать выводы о том, что:
- токсичность зависит от концентрации НЧ и площади их поверхности, а не от массы/объема;
- токсичность зависит от физико-химических свойств НЧ;
- токсичность НЧ, как правило, выше, чем токсичность микро- и макрочастиц такого же размера;
- НЧ могут быть токсичны не только для человека, но так же для флоры и фауны.
Необходимо отметить, что на сегодняшний день имеются ограниченные данные по воздействию НЧ на человека, а также отсутствуют данные по воздействию НЧ на экосистемы как целое, или на популяции как части экосистем.
Эксперименты по воздействию НЧ на живые организмы и биоматериалы проводились лишь
с некоторыми типами НЧ и лишь на отдельных видах животных (дафнии, окуни, мыши, крысы) и растений (кукуруза, соя, капуста, морковь). Имеющиеся литературные данные свидетельствуют о том, что обычно в экспериментах изучалось однократное воздействие НЧ, затрагивающее незначительную часть жизненного цикла. Данные, касающиеся хронического воздействия и последствий однократного воздействия на весь жизненный цикл небольших концентраций НЧ, крайне малочисленны и разобщены.
На сегодняшний день уже существует ряд разработанных и утвержденных методических рекомендаций, посвященных проблемам безопасности при работе с наночастицами и нано-материалами, такие как МР 280-1 «Оценка безопасности наноматериалов», МР 1.2.2520-09 «Токсиколого-гигиеническая оценка нано-материалов», МР 1.2.2522-09 «Методические рекомендации по выявлению наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека», разработанные ФГУЗ «Федеральный центр гигиены и эпидемиологии» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека в 2007-2009 гг. [15-17].
Проработав определенный массив отечественных и зарубежных источников информации, нормативно-методическую литературу мы пришли к выводу, что оценка безопасности на-номатериалов должна включать следующие основные блоки:
1) методы обнаружения, идентификации и количественного определения наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и биологических средах, позволяющие отличить наноматериалы от их аналогов в традиционной, т.е. макродисперсной форме;
2) изучение взаимодействия наноматериалов с липидами, белками, нуклеиновыми кислотами (ДНК, РНК), клеточными мембранами, рибосомами, ферментами в системах in vitro;
3) изучение влияния на организм, систему пе-рекисного окисления и энергетику мобилизации клеток, а также механизмов проникновения наноматериалов через биомембраны, связывания с мембранными рецепторами в системе in vitro;
4) изучение изменения характеристик наноча-стиц в составе модельных систем, воспроизводящих различные среды организма (желудочное и кишечное содержимое, кровь, лимфа, желчь, моча и др.);
5) определение параметров острой, подострой и хронической токсичности, органотоксичности (нейротоксичность, гепатотоксичность, кардио-токсичность, иммунотоксичность, нефротоксич-ность и др.), а также распределения наноматери-алов по органам и тканям;
6) изучение процессов биотрансформации НЧ в монооксигеназной системе;
7) изучение системы антиоксидантной защиты
8) изучение влияния наноматериалов на экспрессию генов, генотоксичность, апоптоз, протеомный и метаболомный профили, потенциальную аллергенность;
9) изучение бластомогенного действия нано-частиц и наноматериалов. Изучение эмбриоток-сического и тератогенного действия НЧ и НМ на организм. Изучение гонадотоксического действия и определение интегральных показателей, характеризующих отдаленные последствия действия НЧ и НМ;
10) изучение особенностей токсикокинетики НЧ и НМ [15-47].
Оценка рисков при работе с наночастицами и наноматериалами должна включать обширный комплекс физико-химических, биохимических, молекулярно-биологических, токсикологических тестов и специальных исследований, позволяющих провести всестороннюю оценку их воздействия на биологические объекты, однако, для определения основных рисков в настоящее время недостаточно экспериментальных данных.
Вместе с тем, возможно, что поведение самих наноматериалов может различаться с их поведением в составе продукции (парфюмерно-косметическая продукция, лекарственные препараты, пищевые продукты, упаковочные материалы, средства защиты растений, дезинфицирующие средства и т.д.) вследствие приобретения новых свойств. Поэтому при оценке безопасности продукции, содержащей наночастицы и наноматериалы, следует сконцентрировать внимание на изучении путей возможной миграции НЧ в контактные среды, на возможных путях поступления в живые организмы и объекты окружающей среды, токси-кокинетике, приоритетных органах-мишенях и ожидаемых биологических эффектах. Так, например, кожа имеет приоритетное значение при использовании пафюмерно-косметической и хозяйственно-бытовой продукции; желудочно-кишечный тракт - в случае наличия наноматери-алов в пище, лекарственных средствах; легкие подвергаются воздействию в первую очередь аэрозольной составляющей через воздух рабочей зоны или атмосферный воздух; кровь - при парентеральном введении лекарственных средств. Во всех этих случаях необходимо учитывать специфические особенности поведения наноматери-алов в зависимости от матрицы, а также вероятные пути их модификации и биотрансформации в организме [32, 44, 45, 4б].
Особого внимания требует разработка системы мероприятий по обеспечению безопасности используемых нанотехнологий и снижению неблагоприятных влияний наноматериалов на здоровье работников, непосредственно занятых в их производстве или контактирующих с ними в процессе производства другой продукции, с аттестацией рабочих мест [15, 47].
Учитывая вышесказанное, предлагается алгоритм разработки эффективной системы обеспечения безопасности при работах с НЧ и наноматериалами. Актуальность вопроса необходимости разработки подобного алгоритма обосновывалась в первую очередь отсутствием необходимых экспериментальных данных по токсичности наночастиц и наноматериалов; необходимостью создания единой системы параметров, определяющих токсические свойства различных наночастиц, а также необходимостью разработки методических подходов к оценке эффективности использования средств индивидуальной защиты (СИЗ) при работе с наноматериалами.
Схематично разработанный алгоритм можно представить следующим образом:
1. Перечень показателей токсичности и опасности НЧ и НМ - перечень свойств НЧ и НМ, имеющих приоритетное значение для оценки их безопасности - классификация НЧ и НМ - критерии оценки токсичности и опасности НЧ и НМ - методология регламентирования НЧ и НМ, разработка и стандартизация методов определения НЧ и НМ
2. Прогностические модели in vitro и in vivo для оценки ответной реакции организма in vivo на воздействие НЧ и НМ - механизмы взаимодействия между наноматериалами и живыми организмами на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях - оценка факторов, влияющих на миграцию НЧ в объектах окружающей среды - тестирование токсичности НЧ и НМ - методические рекомендации по оценке токсичности и опасности НЧ и НМ
3. Исследование токсикологических свойств НЧ при остром, подостром и хроническом воздействиях - оценка отдаленных последствий - оценка абиотических и экоси-стемных эффектов - методические рекомендации по гигиеническому регламентированию НЧ и НМ в объектах окружающей среды
4. Характеристика воздействия НЧ и НМ на работающих - разработка методов контроля НЧ и НМ на рабочих местах - разработка методических рекомендаций по факторам риска, дающих определение и классификацию НЧ и НМ, базирующихся на их физических и химических свойствах - создание системы управления рисками с обратной связью, учитывающей характер влияния наноматериа-лов и нанотехнологий и эффектов ими вызываемых.
Таким образом, оценка безопасности нано-материалов и нанотехнологий должна иметь наивысший приоритет в условиях ожидаемого их распространения и вероятного воздействия на людей непосредственно, или опосредованно через окружающую среду (воздух, воду, почву) и продукты питания.
Р СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лысцов, В.Н., Мурзин, Н.В. Проблемы безопасности нанотехнологий. - М.: МИФИ, 2007. - 70 с. - ISBN 978-5-7262-0916-6.
2. Current hypotheses on the mechanisms of toxicity of ultrafine particles. / K. Donaldson, V.Stone // Ann 1st. Super Sanita. - 2003. - N 39 (3). - Р. 405-410.
3. Elder, A.C.P. The Toxicology of Nanomaterials. - Univ.of Rochester, 2007. - 37 p.
4. Morgan D.L. NTP Toxicity Study Report on the atmospheric characterization, particle size, chemical composition, and workplace exposure assessment of cellulose insulation (CELLULOSEINS). // Toxic Rep Ser. - 2006. - Vol. 74. - P. 1-62, A1-C2. PMID: 16686422
5. Yang, L., Watts, DJ. Particle surface characteristics may play an important role in phytotoxicity of alumina nanoparticles. // Toxicol. Lett. - 2005. - Vol. 158. - P. 122-132.
6. Oberdorster G. Significance of Particle Parameters in the Evaluation of Exposure-Dose-Response Relationships of Inhaled Particles. // Inhal. Toxicol. - 1996. - Vol. 8 (Suppl. 8). - P. 73-89.
7. Oberdorster G., Maynard A., Donaldson K., et al. Principles for characterizing the potential human health effects from exposure to nanomaterials: elements of a screening strategy. - A report from the ILSI Research Foundation. Risk Science Institute Nanomaterial Toxicity Screening Working Group. Part. Fibre Toxicol. - 2005.
- Vol. 2. - P. 8.
8. Wittmaack K. In search of the most relevant parameter for quantifying lung inflammatory response to nanoparticle exposure: particle number, surface area, or what? // Environ Health Perspect. - 2007. - Vol. 115(2). - P. 187-94. PMID: 17384763
9. Current hypotheses on the mechanisms of toxicity of ultrafine particles. / K. Donaldson, V.Stone // Ann Ist. Super Sanita. - 2003. - N 39 (3). - Р. 405-410.
10. IRGC (International Risk Governance Council) Off.Rep. 2006, June, http://www. irgc.org/.. ._version.pdf.
11. Nanotechnology: Small Matter, Many Unknowns. - 2004. - www.swissre.com
12. Nanoparticles: An Occupational Hygiene Review. - Research Report 274. - UK Health and Safety Executive. - 2004. http://www.hse.gov.uk/research/rrhtm/rr274. htm.
13. Oberdorster E. Manufactured nanomaterial (fullerenes, C60) induce oxidative stress in the brain ofjuvenile largemouth bass. // Environ. Health Perspect. - 2004. -Vol. 112(10). - P. 1058-1062 (DOI:10.1289/ehp.7021, available at http://dx.doi.
org/).
14. Jaffe R.L. 2005. The Casimir Effect and the Quantum Vacuum. Massachusetts Institute of Technology. - Cambridge: MIT-CTP. - 2005. - Vol. 1. - P. 9.
15. МР 280-1 «Оценка безопасности наноматериалов». - М., 2007. - 59 с.
16. МР 1.2.2520-09 «Токсиколого-гигиеническая оценка наноматериалов». -М., 2009. - 43 с.
17. МР 1.2.2522-09 «Методические рекомендации по выявлению наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека».
- М., 2009. - 35 с.
18. EPA Nanotechnology White Paper. 2007. EPA/100/B-07/001 Feb-2007. 120 p.
19. European Commission Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks(SCENIHR). 2006. The Appropriateness of Exisiting Methodolgies to Assess the Potential Risks Associated with Engineered and Adventitious Products of Nanotechnologies. Document number SCENIHR/002/05, http://ec.europa.eu/. h_report.pdf
20. Li N, Sioutas C, Cho A, Schmitz D, Misra C, Sempf J, et al. Ultrafine particulate pollutants induce oxidative stress and mitochondrial damage. // Environ. Health Perspect. - 2003. - Vol.111. - P. 455-460.
21. Oberdorster G. Significance of Particle Parameters in the Evaluation of Exposure-Dose-Response Relationships of Inhaled Particles. // Inhal. Toxicol. - 1996. - Vol. 8 (Suppl. 8). - P. 73-89.
22. Warheit D.B, Laurence B.R., Reed K.L., et al. Comparative Pulmonary Toxicity Assessment of Single-wall Carbon Nanotubes in Rats. // Toxicol. Sciences. - 2004.
- Vol. 77. - P. 117-125.
23. Warheit D.B., Brock WJ., Lee K.P., et al. Comparative Pulmonary Toxicity Instillation and Inhalation Studies with Different TiO2 particle Formulaitons: Impact of Surface Treatment on Particle Toxicity. // Toxicol. Sci. - 2005. - Vol. 88(2). - P. 514-524.
24. Yuliang Zhao, Nalwa H.S. Nanotoxicology - Interactions of Nanomaterials with Biological Systems. - 2006. - 500 p.
25. Shvedova A.A., Kisin E.R., Mercer R., et al. Unusual Inflammatory and Fibrogenic Pulmonary Responses to Single Walled Carbon Nanotubes in Mice. // Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. - 2005. - Vol. 289. - P. L698-L708.
26. Kenny L. The Risk Governance of Nanotechnology: Recommendations for Managing a Global Issue. // Conf. Rep. 6-7 July 2006. - Swiss Re Centre for Global Dialogue. - 2007. - 80 p.
27. Monteiro-Riviere N.A., Tran C.L. Nanotoxicology Characterization, Dosing and Health Effects. - 2007. - 392 p.
28. Oberdorster G., Maynard A., Donaldson K., et al. Principles for characterizing the potential human health effects from exposure to nanomaterials: elements of a screening strategy. - A report from the ILSI Research Foundation. Risk Science Institute Nanomaterial Toxicity Screening Working Group. Part. Fibre Toxicol. - 2005.
- Vol. 2. - P. 8.
29. Nanoparticles: An Occupational Hygiene Review. - Research Report 274. - UK Health and Safety Executive. - 2004. http://www.hse.gov.uk/research/rrhtm/rr274. htm.
30. Hoet P., Bruske-Holfeld I., Salata O. Nanoparticles - known and unknown health risks. // Journal of Nanobiotechnology. - 2004. - Vol. 2. - P. 12.
31. Maynard A.D., Aitken RJ. Assessing exposure to airborne nanomaterials: Current abilities and future requirements. // Nanotoxicology. - 2007. - Vol. 1, N 1. - P. 2641. DOI: 10.1080/17435390701314720.
32. Powers K.W., Palazuelos M., Moudgil B.M., Roberts S.M. Characterization of the size, shape, and state of dispersion of nanoparticles for toxicological studies. // Nanotoxicology. - 2007. - Vol. 1, N 1. - P. 42-51. DOI: 10.1080/17435390701314902
33. Aitken R.J., Creely K.S., Tran C.L. Nanoparticles: An Occupational Hygiene Review.
- Research Report 274. Institute of Occupational Medicine for the Health and Safety Executive, North Riccarton, Edinburgh, England. - 2004. - 137 p.
34. Borm P., Klaessig F.C., Landry T.D., et al. Research Strategies for Safety Evaluation of Nanomaterials, Part V: Role of Dissolution in Biological Fate and Effects of Nanoscale Particles. // Toxicol. Sci. - 2006. - Vol. 90(1). - P. 23-32.
35. Colvin V. The Potential Environmental Impact of Engineered Nanoparticles. // Nature Biotechnol. - 2003. - Vol. 21(10). - P. 1166-1170.
36. Holsapple M.P., Farland W.H., Landry T.D., et al. Research Strategies for Safety Evaluation of Nanomaterials, Part II: Toxicological and Safety Evaluation of Nanomaterials, Current Challenges and Data Needs. // Toxicol. Sci. - 2005. - Vol. 88(1).
- P. 12-17.
37. Maynard A.D. Nanotechnology: assessing the risk. // Nanotoday. - 2006. -Vol.1, N 2. - P.22-33.
38. Wiesner M.R., Lowry G.V., Alvarez P., et al. Assessing the Risks of Manufactured Nanomaterials. Environ. // Sci. Tech. - 2006. - Vol. 40(14). - P. 4336-4345.
39. Donaldson K., Stone V., Tran C.L., et al. Nanotoxicology. // Occup.Environ.Med.
- 2004. - Vol. 61. - P. 727-728.
40. Hood E. Nanotubes causes cardiovascular damage. // Environ.Health Perspect.
- 2007. - Vol. 115, N.3. - P. 152.
41. Jensen A.W., Wilson S.R., Schuster D.I. Biological Application of Fullerenes - A Review. // Biorg. Med. Chem. - 1996. - Vol. 4. - P. 767.
42. Moss O.R. Health Effects of Inhaled Particles. CIIT Centers for Health Research. Long-Range Research Initiative (LRI) Project Abstract. Project ID: MTH0404. CIIT ID: IMFRT0024
43. Probing Interactions between Nanoparticles/Biomaterials and Biological Systems: Alternative Approaches to Bio- and Nano-Safety. ESF-EMBO Symposium, Sant Feliu de Guixols (Costa Brava), Spain 3-8 November 2007.
44. Li N. Nanotubes causes cardiovascular damage in mice. Environ.Health Perspect.
- 2007. - Vol. 115. - P. 377-382.
45. Oberdorster G., Sharp Z., Atudorei V., et al. 2004 Translocation of inhaled ultrafine particles to the brain. // Inhal. Toxicol. - 2004. - Vol. 16. - P. 437-445.
46. Small Times Media. LLC. Nanotechnology Products Report. - 2005.
47. Uchino T., Tokunaga H., Ando M., et al. Quantitative Determination of OH Radical Generation and its Cytotoxicity Induced by TiO2-UVA Treatment. // Toxicol. In Vitro. -2002. - Vol. 16. - P. 629-635.
Glushkova A.V., Dulov S.A., Radilov A.S. Hazard posed by nanoparticles and the program of preventive actions
Research Institute of Hygiene, Occupational Pathology and Human Ecology of St.Petersburg
While working with nanomaterials, it is appropriate to make hazard assessment on a step-by-step basis, beginning with studying and description of nanoparticles physico-chemical parameters , structure and shape, investigation methods for nanoparticles and nanomaterials.
The next step is the nanoparticles toxicity and hazard study, description of their potential sources and pathways and migration ways to the environment. The outcome of the solution of the given problem will become the development of an algorithm for an effective system of securing safety of work with nanoparticles and nanomaterials which will represent a stepwise action plan for several years.
Переработанный материал поступил в редакцию 08.11.2010 г.
